Цивилизация
Небольшие организмы в скором времени смогут превращать жидкие выделения космонавтов в полезные субстанции, из которых те смогут изготавливать инструменты. Это должно пригодиться астронавтам будущего при многомесячных полетах к Марсу и во время других длительных экспедиций.
Во время таких экспедиций астронавты ограничены в выборе инструментов и различных запчастей, которые могут брать с собою, поскольку каждый лишний килограмм массы значительно удорожает запуск и усложняет отрыв корабля от околоземной орбиты. «Если астронавты собираются совершить путешествие, которое продлится несколько лет, мы должны найти способ перерабатывать и повторно использовать все, что они берут с собой, — считает Марк Бленнер, который представит новые решения в области переработки космических отходов жизнедеятельности на 254-й конференции Американского химического общества. – И экономия атомов становится действительно важной».
Решение проблемы лежит в самих астронавтах, которые постоянно производят мусор, отходы, выдыхают обогащенный углекислым газом воздух. В отличие от оставшихся на Земле людей, астронавты не должны будут выбрасывать в космическое пространство все свои отходы. Команда Бленнера работает над тем, чтобы научиться повторно использовать нужные молекулы и превращать их в продукты, необходимые для жизни и работы –
например, в питательные вещества и пластик.
Такая задача оказалась под силу штамму дрожжей Yarrowia lipolytica, которые могут перерабатывать мочу. Генетически модифицировав штамм этих дрожжей, ученые заставили их производить жирные кислоты омега-3.
Эти вещества сохраняют свою структуру не дольше пары лет, говорит Бленнер, сотрудник Университета Клемсона. «Создать биологическую систему, которую астронавты могут привести в действие из «спящего состояния», чтобы производить необходимые продукты, — цель нашего проекта», — пояснил он.
Дрожжам Yarrowia lipolytica для роста необходимы азот и углекислый газ. В ходе исследований команда Бленнера обнаружила, что эти дрожжи способны получать азот из мочевины, которая содержится в необработанной моче.
А углекислый газ они могут добывать из выдыхаемого астронавтами воздуха или теоретически — из марсианской атмосферы.
Однако для усвоения углекислого газа дрожжам необходим «агент», способный перерабатывать углерод в необходимую форму. Для этих целей могут пригодиться особые цианобактерии или водоросли, подобранные учеными.
Жирные кислоты омега-3 необходимы человеку для нормального функционирования кровеносной системы, нервной и эндокринной систем, мозга и зрения и синтеза гормонов, поэтому они необходимы в многомесячных полетах в космос.
Другой же генно-модифицированный штамм дрожжей оказался способен производить мономеры и связывать их в длинные молекулы полиэстера. Его полимеры в дальнейшем могут стать сырьем для 3D-принтера,
на котором можно буквально печатать необходимые в космическом полете инструменты и запасные части из пластика.
Эти штаммы привлекли особое внимание ученых. В настоящее время они продолжают эксперименты с целью расширить диапазон получаемых с их помощью полимеров, которые будут обладать разными свойствами.
Пока генно-модифицированные штаммы могут производить весьма ограниченное количество питательных веществ и молекул полиэстеров, но ученые работают над увеличением эффективности. Кроме того, этот процесс может найти применение в земных условиях, например в разведении рыбы и производстве питательных смесей. Так, при разведении рыбы в искусственной среде необходимо использование жирных кислот омега-3, которые могут быть получены с помощью дрожжей.
В этом же направлении работают и другие научные группы. Так, американская химическая компания DuPont уже использует дрожжи для производства кислот омега-3 в аквакультуре, но их дрожжи питаются рафинированным сахаром, а не человеческими отходами, говорит Бленнер. «Мы выяснили, что Y. Lipolytica несколько отличается от других дрожжей по своей генетике и биохимической природе, — пояснил ученый. — Каждый новый организм имеет свои особенности, на которых надо сосредоточиться и лучше понять».
Что касается МКС, то на станции уже испытаны и используются системы сбора и переработки мочи в питьевую воду. В будущем неиспользуемые субстанции, такие как мочевина, могут стать пищей для дрожжей. В планах ученых испытать описанный способ на МКС в ближайшие два года.